公路隧道衬砌结构碳化耐久性研究＊

王蕾，范新阳，王劭琨

（1.陕西工业职业技术学院，陕西 咸阳 712000；2.中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721006）

随着中国交通强国战略的持续推进，高速公路建设不断向西部多山地区延伸，公路隧道呈现出蓬勃发展的趋势。虽然公路隧道的数量和里程逐年增加，但也有越来越多的隧道开始带病运营，其中钢筋锈蚀是造成隧道衬砌劣化的最主要原因，而影响钢筋锈蚀的显著因素为碳化作用。碳化对公路隧道衬砌结构的耐久性有着非常严重的影响，为提高衬砌结构的抗碳化性能，建立有效的碳化预防措施，对碳化成因的发掘和碳化深度的预测是不可或缺的，这2 个问题同时也是碳化研究中的重点与难点。

本文首先对混凝土的碳化机理进行了介绍，在此基础上重点讨论了影响混凝土碳化的主要因素，同时针对公路隧道特殊的运营环境，对现有的碳化深度预测模型进行了分析比对，以便选取更为适合公路隧道实际情况的碳化深度预测模型。

1 碳化机理

混凝土碳化又称为混凝土的中性化，是混凝土受到化学腐蚀后pH 值降低、化学成分改变的过程。混凝土是以水泥为主要胶凝材料，掺以砂、石、水、外加剂等组分，在搅拌、成型和养护过程中，由于蒸发、收缩等原因会在内部形成许多互相连通的毛细管和孔隙结构，混凝土所处环境中的二氧化碳气体通过这些孔隙结构渗透进入混凝土并在其内部扩散。而孔隙水中含有大量水泥水化过程中所产生的氢氧化钙和水化硅酸钙，其pH 值约为12～13，上述物质与二氧化碳会发生系列复杂的化学反应，以致混凝土的pH 值不断降低，最终降至8.5～9.0，主要化学反应式如下：

Ca（OH）2+H2CO3→CaCO3+2H2O

3CaO·2SiO2·3H2O+3H2CO3→3CaCO3+2SiO2+6H2O

对于素混凝土来说，碳酸钙和二氧化硅的生成填充了原有的孔隙，减小了混凝土结构的孔隙比，提高了其密实度、抗压强度和弹性模量。对于钢筋混凝土结构而言，水泥水化后会形成一个高碱环境，在此环境下，钢筋表面会形成一层钝化膜，保护钢筋不被锈蚀，然而当混凝土pH 值下降时，钝化膜将被破坏，无法保护钢筋，最终影响到钢筋混凝土结构的耐久性和安全性。根据相关研究[1-2]，当混凝土pH 值≥9.88 时，钢筋表面开始生成钝化膜；当pH 值≥11.5 时，钝化膜完整生成，因此，为保证钢筋不被锈蚀，混凝土pH 值必须不低于11.5。

2 碳化影响因素

相关理论分析和试验研究表明[3-5]，混凝土碳化主要受3 方面的影响：材料因素、环境因素和施工因素。

2.1 材料因素

2.1.1 水泥品种

不同品种的水泥，其化学成分和碱性物质含量也有所不同，且水泥硬化后结构的孔隙率也差异明显，这些均会影响到混凝土的碳化速率和程度。不同品种水泥的碳化速率从小到大依次为：早强硅酸盐水泥小于普通硅酸盐水泥小于掺混合材的水泥，其中，掺混合材水泥的碳化速率随混合材掺量的增大而增大。

2.1.2 水泥用量

水泥用量的多少决定碱性物质含量的多少，同时增加水泥用量还可以改善混凝土结构的和易性，增强。其密实度，所以对于同一种水泥而言，混凝土的碳化速率将随水泥用量的增大而减小

2.1.3 水灰比

水灰比对混凝土的孔隙率影响极大，在混凝土凝结的过程中，水分蒸发后其所占有的空间将形成毛细管或孔隙结构，当水灰比增大时，用水量会随之增大，此时混凝土结构中的孔隙率也将进一步增大，碳化速率自然而然会随之增大。方璟等[6]发现水灰比小于0.65时，碳化深度与水灰比呈线性相关；水灰比大于0.65后，碳化深度将快速增大。蒋利学[7]指出高水灰比时碳化深度与水灰比呈指数函数关系。

2.1.4 掺合料

目前常用的掺合料为粉煤灰，一方面，粉煤灰中含有一定的活性物质，和水泥中的碱性物质相遇后会发生化学反应；另一方面，粉煤灰的使用降低了水泥的用量，进一步减少了混凝土中的碱性储备。因此粉煤灰等量取代水泥越多，其碳化速率越快。

2.1.5 骨料

骨料的粒径大小对混凝土的凝结有很大影响，由于轻骨料气泡多、透气性好，所以碳化速率高于普通混凝土，而采用粗骨料会影响与水泥浆的结合，采用细骨料增大了接合面面积，均增大了碳化速率，所以应选择合适粒径的骨料。

2.1.6 外加剂

减水剂和引气剂是常用的外加剂。减水剂可以减少用水量，提高混凝土的密实度，引气剂能使混凝土中的毛细管形成互不连通的孔隙，抑制二氧化碳气体的扩散，选择优质的外加剂可以降低碳化速率。

2.1.7 混凝土保护层

保护层是指从混凝土表面到钢筋外边缘的混凝土结构，增加保护层厚度和提高保护层密实度都可提高混凝土的抗碳化性能。

2.2 环境因素

2.2.1 二氧化碳浓度

二氧化碳直接参与混凝土碳化的全过程，其对碳化的影响是不言而喻的。二氧化碳在混凝土中的扩散是由浓度梯度所控制的，浓度梯度越大，扩散通量就越大，碳化速率也就越快。相关研究表明[8]，混凝土的碳化深度与二氧化碳浓度的平方根呈正相关。

2.2.2 温度

温度会影响到气体的扩散系数，温度升高，扩散系数增大，碳化速率也会随之升高；温度还会影响到二氧化碳和氢氧化钙在水中的溶解，其溶解度与温度成正比。清华大学[9]提出的温度对碳化的影响公式如下：

2.2.3 相对湿度

环境介质的相对湿度直接影响混凝土的孔隙水含量。当相对湿度较小时，碳化反应因缺少水分速率降低；当相对湿度过大时，孔隙中的水会在一定程度上减缓二氧化碳的扩散蔓延，从而降低混凝土的碳化速率。清华大学研究发现[9]，碳化速率与相对湿度为抛物线关系，环境湿度处于40%～60%时碳化速率较高，王建强[10]指出当相对湿度为53%时，碳化深度最大。

2.3 施工因素

施工和养护的各个环节都会影响混凝土的密实程度，施工质量不好或养护不当时，会导致混凝土内部的孔隙率增大，甚至出现裂缝、蜂窝、空洞等，加速了碳化反应。

3 公路隧道衬砌结构碳化深度预测模型比选

近年来，国内外学者提出了众多碳化深度预测模型[11-13]，这些模型对混凝土的碳化研究具有重要的参考和借鉴意义，但多数模型是基于建筑物或公路、桥梁推导而来，对公路隧道特殊的运营环境而言，是否适用尚待进一步验证，如何在众多繁杂的预测模型中选择适合公路隧道特点的模型，对公路隧道衬砌结构的碳化耐久性设计影响巨大[14]。根据肖佳等[15]的研究成果，应优先考虑基于碳化试验所建立的经验模型。因此，本文选取代表性的预测模型，通过实例计算对不同模型进行比选。

万小梅模型[18]公式为：

以某隧道碳化深度实测数据为基础[20]，分别采用上述4 种预测模型进行计算，结果如表1 所示，将计算值与实测数据进行比较，如图1 所示。

图1 碳化深度计算值与实测值对比图

表1 不同模型碳化深度计算值结果

由图表可知，4 种模型的预测效果都比较好，相对而言，万小梅模型和武海荣模型的误差更小一些，考虑武海荣模型的离散性更小，推荐武海荣模型作为公路隧道衬砌结构的碳化深度预测模型。

4 结语

针对公路隧道衬砌结构的碳化耐久性开展研究具有很重要的现实意义，通过对材料、环境、施工等影响因素的深入分析推动了衬砌结构抗碳化性能的进一步提升。在对不同碳化深度预测模型进行对比后，发现在进行公路隧道衬砌结构的碳化深度预测时，武海荣模型的整体误差和离散性更小一些。下一步将重点关注运营隧道衬砌结构碳化的环境影响因素，以期为公路隧道衬砌结构的碳化耐久性设计提供借鉴与参考。